Den mystiske mørke energi, der fremskynder universets udvidelse

Mørk energi er naturvidenskabens største uløste gåde. Men hvad er mørk energi helt nøjagtigt - og hvorfor tror vi overhovedet, at det eksisterer?

Træd til side et øjeblik, og tænk på noget mere familiært: Hvad sker der, når man kaster en bold lige op i luften?

Bolden sætter gradvist farten ned, fordi tyngdekraften trækker i den, for endelig at stoppe midt i luften og så at falde til jorden.

Hvis man kastede en bold hårdt nok (cirka 40.000 kilometer i timen), ville den faktisk kunne slippe helt fri af Jorden og ud i rummet for aldrig at vende tilbage. Men selv i et sådant tilfælde ville tyngdekraften trække svagt i bolden og sænke dens fart, som den undslap Jordens greb.

Prøv nu at forestille dig noget helt andet. Hvis man nu kastede en bold op i luften, og den i stedet for at blive trukket ned mod Jorden, blev frastødt af Jorden og fyret gradvist hurtigere op i himlen.

Det ville være forbløffende - men det er lige nøjagtigt, hvad astronomerne har observeret finder sted i hele universet!

Overraskende opdagelse: Teorierne var ikke korrekte

I næsten 100 år har forskere vidst, at universet udvider sig, og at galakserne bevæger sig væk fra hinanden.

Og indtil for ganske nylig har forskerne troet, at der kun fandtes to mulige løsninger for universets fremtid.

1. Det kunne udvide sig i det uendelige (som bolden vi kastede op i luften med 40.000 kilometer i timen), men at tyngdekraften fra den samlede masse i universet langsomt ville bremse udvidelsen på grund af den indbyrdes tiltrækning mellem galakserne.
   
2. Eller at tyngdekraften til sidst vil vinde og stoppe universets udvidelse for endeligt at få det til at styrte ned igen i ét stort brag ligesom bolden, der styrtdykker ned til jorden igen.

To forskellige hold af astronomer var derfor mildest talt overraskede, da de i 1998 opdagede, at deres formodninger om de to adfærdsmønstre ikke var korrekte. Holdene af astronomer målte, hvor hurtigt universet udvidede sig på et tidspunkt, hvor det var meget yngre, end det er i dag.

Men hvordan kunne de gøre det uden først at bygge en tidsmaskine?

Heldigvis er et teleskop en tidsmaskine. Når man om natten kigger op på stjernehimlen, ser man ikke, hvordan den ser ud i dag. Man ser lys, der forlod stjernerne for lang tid siden - ofte for flere hundrede år siden.

Hvordan kan tyngdekraften frastøde?

Ved at iagttage fjerne supernovaer - som er umådeligt strålende eksplosioner fra døende stjerner - kan astronomerne se flere hundrede millioner år tilbage i tiden.

De kan så måle, hvor hurtigt udvidelsen foregik dengang ved at sammenligne afstanden til de fjerne supernovaer med den hastighed, de flyver væk fra os.

Og ved at sammenligne hvor hurtigt universet udvidede sig for hundrede millioner år siden med hastigheden i dag, opdagede astronomerne, at universet faktisk udvider sig med accelererende hastighed og ikke langsommere, som først antaget.

I stedet for at trække universets galakser sammen ser det ud til, at tyngdekraften trækker dem fra hinanden.

Men hvordan kan tyngdekraften støde fra, når vores hverdagsoplevelse er, at den trækker til? Ifølge Einsteins tyngdekraftsteori kan tyngdekraften både frastøde og tiltrække, men kun under ganske særlige omstændigheder.

Modsatrettet tyngdetiltrækning kræver en ny form for energi kaldet 'mørk energi', som har yderst mærkværdige egenskaber. I modsætning til almindeligt stof har mørk energi et negativt tryk, og det negative tryk skaber en negativ tyngdekraft - et almindeligt, positivt tryk giver en positiv energitæthed og dermed en positiv tyngdekraft.

Mørk energi kan hverken isoleres eller undersøges

Det lader til, at mørk energi er overalt i hele universet, og at det kun interagerer med det almindelige stof gennem tyngdetiltrækning, hvilket gør det umuligt at undersøge i et laboratorie.

Der er to forskellige måder at beskrive den mest enkle udgave af det mørke stof: En kosmologisk konstant eller vakuum energi.

Vakuum energi har endnu en mærkelig egenskab.

Forestil dig en beholder, som gradvist udvides samtidig med universet. Mængden af stof i beholderen er konstant, men efterhånden som dens massefylde stiger, falder stoffets densitet tilsvarende. Faktisk falder altings densitet, efterhånden som universet udvider sig.

Undtagen vakuum energi - hvis densitet forbliver nøjagtigt den samme. (Ja, det er faktisk lige så mærkværdigt, som det lyder. Forestil dig at du trækker i et stykke tyggegummi, og at det aldrig bliver tyndere).

Siden mørk energi ikke kan isoleres eller undersøges i et laboratorie, hvordan kan vi så nogensinde gøre os en forestilling om at kunne forstå, hvad det består af?

Forskellige teorier om mørk energi foreslår, at små forskelle, i måden universet udvider sig på, ændrer sig med tiden, så den bedste mulighed for at kunne undersøge mørk energi ser ud til at komme fra mere præcise målinger af udvidelseshastigheden på grundlag af 17 år gamle fund.

Forskellige forskergrupper påtager sig i øjeblikket mange af disse målinger.

For eksempel er 'Dark Energi Survey' i færd med at kortlægge fordelingen af galakser i universet for at hjælpe med at løse gåden.

Har forskerne og Einstein taget helt fejl?

Der findes en anden mulighed: Måske har forskerne været helt galt på den.

Måske findes mørk energi overhovedet ikke, og vores målinger betyder, at Einsteins tyngdekraftsteori er forkert, og at den skal rettes.

Det ville være en kolossal opgave, da Einsteins teori fungerer ualmindeligt fint, når vi afprøver den i vores solsystem - og lad os se i øjnene: Einstein vidste, hvad han lavede.

Indtil videre er der ingen, der har produceret en overbevisende forbedring af Einsteins teori, som både forudsiger den korrekte udvidelse af universet og samtidig stemmer overens med Einsteins teori inden for solsystemet. Det må være læsernes lektier til i morgen.

Robert Scherrer modtager støtte fra The United States Department of Energy. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.